预制钢-混组合桥面板组装式连接静力及疲劳性能试验

桥梁建造由装配化向组装化的转换是未来桥梁工程发展的方向,钢-混组合桥梁是一种与工业化、组装化高度契合的结构形式;活性粉末混凝土等超高性能水泥基材料的应用为钢-混组合结构桥梁的轻型化和组装化提供了新的契机与挑战。提出基于高弹模和高韧性混凝土-粗骨料活性粉末混凝土的预制桥面板及板间组装式连接结构（CSL）,从而减轻结构自重、改善预制桥面板间的连接性能,实现桥梁结构的组装化作业,提升桥梁的建造质量和速度。通过四点弯曲试验考察预制粗骨料活性粉末混凝土桥面板及其干式连接结构的结构行为,分析加载全过程挠度的发展特点,探明极限承载能力及疲劳性能。静力试验结果表明：通过CSL连接而成的桥面板具有优异的变形能力和弯曲韧性,破坏均发生在粗骨料活性粉末混凝土板内,CSL的抗弯极限承载力高于粗骨料活性粉末混凝土桥面板;CSL的钢混连接面处弯曲初裂应力值不小于9.0 MPa,接近粗骨料活性粉末混凝土的弯曲初裂应力,并具有良好的裂缝约束能力。疲劳试验结果表明：CSL中的钢结构应力幅较小,经过800万次疲劳加载后,CSL连接桥面板未发生疲劳破坏,桥面板间连接焊缝应力幅仅26.8 MPa,不会出现疲劳破坏;CSL中的预加力对连接结构的静动力性能具有重要影响。     

U肋与横隔板焊接构造细节疲劳强度研究

为研究在车辆荷载反复作用下,正交异性钢桥面板U肋与横隔板焊缝构造细节处的疲劳强度是否满足疲劳设计要求,以九江长江公路大桥钢箱梁结构为研究对象,设计疲劳试样进行疲劳试验,得到了用于该构造细节处疲劳寿命评估的失效概率分别为50%及2.3%的应力幅~循环次数曲线,参照Eurocode 3规范,将疲劳曲线延长至长寿命区,提出适合该细节处的疲劳设计曲线及方程。依据实测车辆荷载谱及简化的有限元模型,选择合理的加载方式与荷载冲击系数,计算得到关注点的应力~时间历程曲线,并评估该构造细节的疲劳寿命。结果表明,在实测荷载谱作用下,该细节处最大应力幅值为24.49MPa,小于疲劳截止限,其疲劳强度满足疲劳设计要求。     

钢板-混凝土组合桥面板弯曲刚度计算方法研究

为了研究钢板-混凝土组合桥面板的弯曲刚度和变形计算方法,对6块钢板-混凝土组合桥面板试件进行了两点对称集中加载静力试验研究,得到组合桥面板在静载试验下的荷载-跨中挠度试验曲线。考虑到组合桥面板受力性能及构造特点,提出了基于钢筋混凝土受弯构件弯曲刚度计算理论的组合桥面板弯曲刚度的2种简化方法,并分别按照2种简化方法对试验试件在不同荷载水平下的变形进行了计算。计算结果表明,采用这2种简化方法所得到的变形结果与试验结果比较吻合,比一般常用的等效刚度法要准确,建议在工程实践中采用简化计算方法进行组合桥面板刚度计算。     

矩形钢管混凝土组合桁梁连续刚构桥实桥试验

为了研究矩形钢管混凝土组合桁梁桥这种主梁由矩形钢管混凝土桁架和混凝土桥面板组成的新桥型的力学性能,以中国首座矩形钢管混凝土组合桁梁桥为对象开展了实桥试验。试验桥孔跨布置为24 m+40 m+24 m,结构体系为连续刚构。试验采用400 kN加载卡车3辆,共进行了3个荷载工况12个加载步的加载,对试验桥的整体力学性能、矩形钢管混凝土杆件力学性能以及桥面板有效宽度进行了研究。试验结果表明：在荷载效率为1.90~3.05的超载工况下各控制杆件的轴力-应变及荷载-位移实测数据线性关系显著,试验桥在加载过程中始终处于良好的弹性工作状态;实测受压钢管混凝土下弦杆钢管与管内混凝土荷载的分配符合二者的轴向抗压刚度比例关系;由于矩形钢管混凝土管壁内设置了纵向PBL加劲肋（开孔钢板加劲肋）,其在开孔区域形成混凝土榫,大幅提高了矩形钢管混凝土杆件的抗拉刚度,使其可达受压杆件刚度的80%;两主桁之间桥面板实测有效宽度与既有文献研究结果符合良好,且剪力滞效应在节点处比节间处表现得更为明显。     

大纵肋正交异性组合桥面板疲劳性能研究

在大纵肋正交异性钢桥面板结构中引入混凝土结构层,通过栓钉将钢桥面板与混凝土结构层组成新型大纵肋正交异性组合桥面板,是从结构体系层面提高大纵肋正交异性钢桥面板疲劳性能的有效途径。基于有限元数值分析,明确了大纵肋正交异性组合桥面体系对于钢桥面板典型疲劳易损细节的应力幅改善效果;采用足尺节段模型试验对结构的关键疲劳易损细节进行了疲劳试验研究,验证了关键疲劳易损细节在设计寿命期内的抗疲劳安全性和混凝土结构层在疲劳荷载作用下的耐久性,在此基础上对关键疲劳易损细节的疲劳损伤演化及结构体系的疲劳破坏模式进行了试验与理论研究。研究结果表明:大纵肋正交异性组合桥面板结构体系能够显著降低U肋与顶板以及U肋与横隔板连接细节的应力幅,横隔板开孔部位是控制钢桥面板疲劳性能的关键构造细节;设计寿命期内钢桥面板疲劳性能与混凝土结构层的疲劳耐久性均满足要求,且具有一定的安全储备;混凝土结构层负弯矩区疲劳开裂对钢桥面板各疲劳易损细节疲劳性能的影响不显著;大纵肋正交异性组合桥面板的疲劳破坏模式表现出典型的两阶段特征,栓钉发生疲劳断裂并导致组合效应局部劣化,进而加速钢桥面板关键疲劳易损细节的疲劳损伤累积速度并最终发生疲劳开裂。     

基于轮式滚动加载的正交异性钢桥面板疲劳试验设计

能模拟车辆荷载通过效应的疲劳模型试验是研究正交异性钢桥面板疲劳性能的有效手段。利用国内首台自主研发的桥面结构专用轮式滚动疲劳加载装置,以广东虎门二桥坭洲水道桥为依托工程,研究了基于轮式滚动加载的正交异性钢桥面板疲劳试验设计问题。首先,根据实桥交通需求分析,合理确定实桥疲劳荷载谱;其次,计算疲劳敏感部位热点在疲劳荷载谱各车型作用下的应力历程,采用雨流计数法计算应力谱,根据Miner疲劳损伤累积理论转化为每种车型通过1次的等效应力幅,结合交通量预测计算实桥各构造细节在设计寿命期内的疲劳累积损伤;最后,根据设备性能参数,分别计算橡胶轮双轴加载和钢轮单轴加载下试验模型各细节的等效应力幅,通过与实桥钢桥面板各细节的疲劳累计损伤等效,从而确定试验加载轴类型、加载水平以及对应各细节的等效作用次数。研究成果对改进正交异性钢桥面板疲劳试验设计有重要参考意义。     

承受正弯矩作用的钢-混凝土组合桥面板受力性能试验

东平大桥桥面板采用钢-混凝土组合结构形式,剪力连接件采用开孔钢板,混凝土中添加钢纤维。对1片处于正弯矩区域的组合桥面板进行试验,结果表明,这种形式桥面板在使用荷载作用下结构变形小,具有较大的刚度;在疲劳荷载下,结构的刚度衰减较小;结构破坏时具有较高的承载能力,安全储备较高。     

低周循环加载历史对碳纤维混凝土断裂特性影响的试验研究

研究了疲劳加载历史对碳纤维混凝土断裂能及断裂韧度的影响规律，对三点弯曲梁预先施加等幅和变幅疲劳荷载然后通过稳定的断裂试验测得各试件的荷载－－加载点位移全曲线及荷载－裂纹嘴张开位移全曲线。最后与未加疲劳荷载的准静载试验测得的碳纤维混凝土断鲜明参数作了对比。试验结果证明：当预疲劳荷载的幅值超过某一特定值后，碳纤维混凝土的断鲜明参数降低，即碳纤维混凝土垢断裂参数是与循环加载幅值有关的物理量。     

整体桥面结构连接细部模型双向受拉疲劳试验研究

南京大胜关长江大桥主桥为六跨连续钢桁拱桥,采用整体桥面板结构.制作钢桥面板和主桁下弦杆节点板连接细节足尺模型,分3个阶段进行疲劳试验.每个阶段疲劳试验完成后,以该阶段试验荷载上限进行静力试验.ANSYS分析结果显示,模型设计及加栽满足模拟要求,试验加载能够反映实际结构的受力状况.静力试验结果表明,各级荷载作用下模型均处于弹性阶段,卸载后基本没有残余应力.疲劳试验结果表明,在各加载循环次数下试验时,没有产生因为疲劳损伤影响应力重分布的现象;按给定的计算应力幅加载作用下,常幅加载寿命大于200万次;疲劳抗力大于试验设计荷载作用下的双向应力幅;连接细部具有足够的抗疲劳能力.     

正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳性能试验

为深入研究正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳性能及其破坏机理,设计了6个足尺试件模型开展试验研究。首先进行中心加载和偏心加载两种加载工况下的静力试验,对焊缝附近区域的钢板表面应力进行实测,得到热点应力分布规律及应力集中系数;随后进行不同热点应力幅下的高周疲劳循环加载,得到相应的疲劳破坏模式、疲劳寿命、疲劳裂纹扩展过程及速率、刚度退化等实测数据。结果表明:U肋-盖板焊接节点的最大热点应力位于盖板焊趾处;节点在循环荷载作用下的疲劳裂纹扩展过程大致分为裂纹萌生、裂纹稳定扩展、裂纹贯穿壁厚、断裂失效4个阶段,且裂纹贯穿盖板壁厚之后的剩余疲劳寿命可忽略不计;疲劳开裂初期的裂纹扩展速率较为稳定,裂纹贯穿盖板厚度之后的扩展速率明显加快;节点刚度在裂纹长度达到150 mm时开始出现下降趋势,并在裂纹贯穿盖板厚度之后发生刚度急剧退化。通过疲劳寿命数据对比,可以认为采用IIW规范的FAT100级S-N曲线对正交异性钢桥面板U肋-盖板焊接节点的疲劳寿命进行预测和评估是偏于安全的。     

正交异性钢-混凝土组合桥面板纵桥向的压弯性能

针对传统正交异性钢桥面板疲劳开裂及沥青铺装破损桥梁工程两大难题,对有望应用于大跨度桥梁中的正交异性钢-混凝土组合桥面板的力学性能进行了试验及理论研究。为探究适用于组合梁斜拉桥的正交异性钢-混凝土组合桥面板纵桥向的受力性能,设计并制作了6个带U肋的正交异性钢-混凝土组合桥面板足尺试件,进行了轴向压力和弯矩加载试验,研究了不同轴向压力、不同混凝土等级对该组合桥面板受弯承载力、延性及塑性发展的影响,并提出了考虑轴压力影响的塑性抗弯承载力计算公式。研究结果表明：当轴向压力恒定时,组合桥面板在压弯荷载作用下的最终破坏形态均为跨中区域下部混凝土板的横向开裂及上部混凝土的压溃;轴压力对正交异性钢-混凝土组合桥面板的初始弹性抗弯刚度影响较小;不同轴压力下抗弯承载力降低值随着轴力的增大并未呈现显著递减趋势,这与轴向压力加载出现偏心距有关;轴压力会显著降低正交异性钢-混凝土组合桥面板的延性及塑性发展过程;将混凝土强度等级从C60提高到C80,并没有显著提高组合桥面板的初始弹性刚度、抗弯承载力、延性及延长其塑性发展过程;此外,提出的考虑轴压力影响的塑性抗弯承载力计算公式精度较高,可有效预测正交异性钢-混凝土组合桥面板的压弯承载力,为实际工程应用提供理论参考。     

快速施工桥梁的研究进展

为减少传统桥梁施工存在的弊病,加快桥梁建设速度,降低桥梁后期维护费用,提高桥梁的施工质量和耐久性,首先分析了快速施工桥梁的必要性及其在中国的应用前景,阐述了快速施工桥梁的基本组成及构件划分、预制桥面板的主要型式及发展趋势、钢与混凝土桥面板间的连接方式、快速施工预制装配桥梁主梁的3种主要型式及材料组合、节段拼装式预应力混凝土箱梁的预应力体系及主要施工方法、中小跨径混凝土或钢-混组合梁桥的主要截面型式及连接构造,讨论了预制高性能混凝土桥面板、多梁式钢-混凝土组合梁群钉连接的桥梁用于中小跨径快速施工桥梁的优越性,并对近年来在中国大江及海湾桥梁工程应用的整体预制桥墩的特点进行了论述;同时,重点阐述了快速施工钢-混组合梁桥、预制节段拼装混凝土或钢-混组合箱梁桥、预制拼装预应力束体系、预制节段拼装式桥墩等相关的理论研究与进展,包括群钉抗剪性能、混凝土桥面板间接缝受力特性、组合梁复杂受力行为分析、多梁式荷载横向分布、体外预应力组合梁动力特性、组合梁疲劳耐久性等,指出了当前中国进行快速施工桥梁建造在设计研发、体系机制创新等方面的一些不足,分析制约该领域发展的关键因素,同时对发展中国桥梁工业化、信息化及快速施工技术进行了展望,指出对于梁高受限或桥梁较宽,跨径在25~50 m的数量占比均较多的城市桥梁或公路桥梁,包括北方受季节性影响较大的桥梁,开拓快速施工桥梁与市场潜力巨大,并给出一些值得进一步研究解决的热点问题,以期促进交通行业桥梁基础设施建设技术的进步和创新发展。     

基于钢管连接件的钢-UHPC组合桥面板抗剪性能研究

针对公路钢桥桥面结构因自身刚度相对较弱和抗拉拔力不足,出现铺装层病害和钢桥面板疲劳开裂等现象,提出一种基于钢管连接件的钢-UHPC组合桥面板结构,为研究该新型连接件组合桥面板的抗剪性能,开展了推出试验,并结合试验验证后的非线性数值模型得出了试件的工作机理。运用非线性数值模型分析了抗剪连接件厚度、连接件屈服强度、UHPC抗压强度对抗剪承载力及抗剪刚度之影响。研究表明:钢管连接件推出试验破坏形态为下缘焊缝附近的钢管壁沿焊缝方向被剪切断裂,其下部UHPC被压碎;参数分析得出其他参数不变的情况下,抗剪性能随连接件钢管壁厚和钢材强度均呈线性增长;不同的连接件壁厚对应合理的UHPC轴心抗压强度取值,钢管外径为40 mm的情况下,壁厚从3、4、5、6 mm变化取值,对应的UHPC抗压强度合理值分别为100、120、140、160 MPa。     

一种新型斜拉桥主梁耐久性设计

介绍东海大桥主航道斜拉桥钢-混凝土箱形结合梁的钢结构部分、混凝土桥面板、钢-混凝土结合部位在海洋环境下耐久性设计特点及采用方案。     

基于熵权的TOPSIS钢桥面防水黏结材料组合体系优选分析

为合理选择钢桥-沥青混凝土铺装结构防水黏结材料，首先，制作含不同防水黏结材料组合体系的钢板-沥青混凝土复合试件，并在低温（0℃）、常温（25℃）和高温（70℃）环境下分别测试复合试件的拉拔强度（Direct Tensile Strength，DTS）、直剪强度（Direct Shear Strength，DSS）和45°斜剪强度（Skew Shear Strength，SSS）。同时，利用UTM万能试验机测试常温（25℃）状态下复合试件的疲劳寿命。构建包括拉拔强度（DTS）、直剪强度（DSS）、45°斜剪强度（SSS）、疲劳寿命（Fatigue Life，FL）和材料成本（Materials Cost，MC）在内的钢桥面防水黏结材料评价指标体系。利用"信息熵"理论对评价指标的权重进行求解，结合逼近理想解排序（TOPSIS）方法，比较不同防水黏结材料组合体系的综合性能，建立基于熵权-TOPSIS钢桥面防水黏结材料组合体系优选模型，并获取优选结论。最后，通过图像二值化验证优选结论。结果表明：图像二值化分析结果与基于熵权-TOPSIS防水黏结材料组合体系优选模型得出的优选结论一致，验证了熵权-TOPSIS方法在钢桥面防水黏结材料优选设计中的有效性。该模型排除了人为主观因素影响，可为钢桥面防水黏结材料选择提供一种客观有效的方法。     

钢-混组合连续梁负弯矩区受力性能研究及实用新型装置

钢-混组合梁桥体系在市政桥梁工程中近年得到了广泛应用,尤其是钢-混组合连续梁桥。在正弯矩区混凝土桥面受压,钢梁受拉,能充分发挥材料的优势;但在负弯矩区,混凝土桥面受拉会引起裂缝问题。综合使用超高性能混凝土、预应力技术、调整桥面板施工顺序、有效运用支点顶升法,提出了一种新型装置来控制钢-混组合连续梁负弯矩区拉应力和裂纹。有限元结果表明本装置具有较好的效果。     

正交异性钢板-薄层RPC组合桥面基本性能研究

为了解决正交异性钢桥面铺装层破损及钢桥面结构疲劳开裂2类病害问题,提出了一种新型正交异性钢板-薄层超高性能活性粉末混凝土（RPC）组合桥面结构体系。基于某大桥建立有限元模型,并对比计算了纯钢梁和组合桥面结构中桥梁主缆索力和桥面系应力状态;同时,开展了足尺条带模型静载试验。研究结果表明：采用新型钢-RPC组合桥面结构后,钢面板及纵肋中应力明显降低且最大降幅超过70%,而主缆索力几乎不增加;RPC层开裂前的拉应力可达42.7MPa,远高于其在实桥荷载作用下10.08MPa的拉应力;该新型钢-RPC组合桥面结构可提高桥面系的刚度,降低钢桥面结构中的应力,从而能够基本消除钢桥面疲劳开裂的风险。     

预制UHPC组合梁槽口式连接界面抗剪性能研究

相比现浇混凝土桥面板,全预制混凝土桥面板有诸多优势,能够提高桥梁工程质量、加快桥梁施工速度和降低成本。预制超高性能混凝土(Ultra-high Performance Concrete,UHPC)梁和预制UHPC桥面板通过槽口连接形成组合梁是一种新的结构形式,这种槽口式连接的界面抗剪性能会影响全梁整体承载力。通过16个推出试件,研究不同界面抗剪钢筋配筋率、预制梁混凝土类型和预制桥面板混凝土类型、槽口填充混凝土类型对界面抗剪承载力的影响,在试验过程中观测裂缝的发展和破坏模式,记录竖向滑移、水平滑移和试件破坏模式、钢筋应变、极限荷载Vu和残余荷载Vr。试验结果表明:界面抗剪钢筋配筋率对Vu和Vr起主要作用,配筋率为3.7%的界面极限荷载分别是配筋率为2.8%和2.0%的1.06倍、1.20倍;不同的槽内填充混凝土和预制梁混凝土二者共同影响Vu和Vr;预制桥面板混凝土类型对抗剪性能影响不大;钢筋的销栓作用主要受到钢筋直径和混凝土强度等级的影响;通过与AASHTO LRFD 2015和ACI 318规范对比发现,2个规范对UHPC组合梁槽口式连接界面抗剪承载力估计保守;提出的预制UHPC组合梁槽口式连接界面抗剪计算公式计算值与试验值吻合较好。     

正交异性钢桥面沥青混凝土铺装层的裂缝分类及成因

开裂是钢桥面铺装在使用过程中所面临的主要病害之一。报道了国内外10多座钢桥桥面沥青混凝土铺装层开裂状况的跟踪调查与分析结果。根据裂缝的分布位置与几何特征,将裂缝分为规则裂缝、U型裂缝、不规则短发丝裂纹及放射状裂纹4大类,归纳总结了各类裂缝的扩展规律并探讨了其原因。结果表明,规则裂缝是与正交异性钢桥面系构造特性密切相关的结构性问题;不规则短发丝裂纹及放射状裂纹则与施工缺陷密切相关,放射状裂纹主要由鼓包引起;U型裂缝为滑移型缝,层间界面的粘结强度与抗剪强度不足及混合料的高温稳定性不足是导致该类裂缝的主要原因。